2006年，佟丽娅大二时出演由尔冬升执导的电视剧《新不了情》，凭借剧中“李再爱”一角的清丽表现，获得好评，自此正式出道。
2007年，佟丽娅出演了中央戏剧学院的现代话剧《蝴蝶是自由的》；同年，她还领衔主演了现代青春爱情剧《空巷子》，并在剧中饰演了命运多舛的美丽美丽女孩齐乔、而这也是佟丽娅首次在影视剧中担任女主角；此外，佟丽娅还出演了现代缉毒剧《红蝎子》
2008年，在电视剧《母仪天下》中佟丽娅出演剧中的“赵飞燕”一角。佟丽娅凭借扎实的舞蹈功底和演技成功塑造了“赵飞燕”一角，饰演古装造型。同年，在生活剧《我是一棵小草》中，佟丽娅饰演岳小梅。
2009年，佟丽娅又出演了《人活一张脸》，《大屋下的丫鬟》，《烟雨斜阳》三部电视剧。
2010年，佟丽娅首次搭档霍建华，在《怪侠一枝梅》饰演荆如忆。在电视剧《无懈可击之美女如云》饰演姚辉。在《我的经济适用男》饰演何小君。
2011年，《唐宫美人天下》饰演舞倾城。佟丽娅在《美人天下》中再次扮演擅长歌舞的舞倾城。佟丽娅搭档杨幂、冯绍峰在《宫锁心玉》饰演层次丰富，舞艺精湛的“年素言”。“年素言”原名佟素言，其历史原型是雍正皇帝的敦肃皇贵妃年氏。2011年，佟丽娅与飞轮海成员汪东城共同主演了她的首部大银幕作品，悬疑爱情惊悚片《紫宅》。同年在电视剧《梦回唐朝》中客串饰演反面角色“陶美人”。
2012年，佟丽娅在电视剧《北京爱情故事》中饰演沈冰，被网友称为“最理想的模范女友”。在电视剧《恋爱的那点事儿》中饰演于湖新。与杜淳饰演一对情侣。在《爱可以重来》中，佟丽娅饰演的女主角陆嘉亮。11月21日，佟丽娅在微博上首发音乐处女作《只为你歌唱》，发布爱情宣言。
2013年，担任第四届“中国大学生电视节”形象代言人。1月，在电视剧《刀客家族的女人》饰演葛大妮。在电视剧《唐山大地震》中饰演女一号万小灯。在小说改编电影《致我们终将逝去的青春》饰演施洁。8月，在电视剧《80婚约》中佟丽娅饰演苏劲。在电视剧《王的女人》中佟丽娅客串出演了海天的嫔妃吴美人。8月8日，佟丽娅发布了《我们》这首歌曲。在《断奶》中饰演安琪一角。在《全民目击》中饰演李晓妮，剧中扮演的是由邓家佳饰演的林萌萌的老师，由郭富城饰演的检察官童涛的女友。10月主演医疗行业剧《产科医生》，片中饰演女主角何晶。
2014年7月24日《产科医生》登陆北京卫视、山东卫视。佟丽娅在电视剧《恋爱的那点事儿》中出演女主角“亚熟女”于湖新。在电视剧《恋恋不忘》中扮演女主角吴桐，与言承旭饰演的霸道总裁上演爱情故事。8月，佟丽娅携手李光洁、赵子琪、朱锐等主演都市情感剧《酷爸俏妈》，剧中饰演小学英语老师黄小颖。8月27日，荣获第13届华鼎中国百强电视剧发布盛典最佳女演员奖；并同时获得十位全国观众最喜爱的影视明星奖。
2015年受邀参加央视春晚，表演节目《国色天香》，2月16日，节目因故被撤。2月26日，路遥同名小说改编的电视剧《平凡的世界》首播，佟丽娅饰演“新时代新女性的代表者”田润叶。同年3月4日，在中央电视台元宵晚会上，表演舞蹈《国色天香》，搭档演员秦岚、马苏、王丽坤共同出演。4月13日，佟丽娅主演的都市轻喜剧《酷爸俏妈》上星首播，剧中扮演双面性格的叛逆少女小颖。佟丽娅主演的《谜城》将在7月30日上映。美国戴维斯电影节开幕展映影片《诡劫》片方宣布，影片定档2015年8月28日上映，影片由佟丽娅、立威廉主演。
2016年，佟丽娅与章子怡、彭于晏、周冬雨等人合作主演的现代爱情悬疑片《奔爱》在全国上映，而她在片中则饰演了身份神秘莫测的大明星叶依依；10月、其主演的现代动作警匪片《惊天破》上映；11月，佟丽娅确定出演古装宫廷权谋剧《琅琊榜之风起长林》，而她在剧中饰演的则是英姿飒爽且身手不凡的蒙浅雪；与此同时，其参加的国防教育真人秀《真正男子汉第二季》开始在湖南卫视播出，节目中佟丽娅则与其他几位嘉宾共同深入一线部队，在空军的各个兵种内经历了5次3天2晚的真实军营体验。
2017年，佟丽娅与张鲁一搭档主演热血抗战剧《爱国者》，她在剧中饰演的则是天真烂漫又信仰坚定的革命战士舒婕；9月8日，佟丽娅主演的现代奇幻喜剧片《超时空同居》开机；而在这一年的福布斯中国名人榜中她则位列第三十八。10月，参演谍战剧《天衣无缝》，在剧中饰演于太太。
2018年2月15日，参加2018年央视春晚，与容祖儿、周渝民、陈晓、胡可、沙溢、安吉、小鱼儿、凤凰传奇共同表演开场歌舞《万紫千红中国年》；4月，被共青团中央宣传部授予“五四优秀青年演员”称号。5月，演唱的电影《超时空同居》主题曲《不要忘了我》MV发布。5月5日，参加综艺节目《快乐大本营》。6月1日，参加综艺节目《向往的生活》。6月18日，参加第二十一届上海国际电影节“2018电影频道之夜”。6月23日，凭借电影《超时空同居》获第21届上海国际电影节电影频道传媒关注单元“最受传媒关注女主角”奖。6月，佟丽娅还担任了第13届华语青年影像论坛的形象大使；此外，她还担任了第5届中国好演员奖推荐团成员，并参加了奖项的启动仪式；11月，佟丽娅加盟了路阳执导的奇幻动作片《刺杀小说家》；12月，她出席了第17届中国电影华表奖颁奖典礼，并表演了敦煌舞蹈；随后，佟丽娅还参演了《我们的四十年——庆祝改革开放40周年文艺晚会》，而她在晚会上则与其他几位演员共同朗诵了情景诗《伟大的觉醒》。
2019年1月1日，获2018国剧盛典观众喜爱角色人物奖。1月10日，参演的电视剧《天衣无缝》播出，在剧中饰演于太太。1月17日，参加百花迎春《中国文学艺术界2019春节大联欢》。3月5日，参加首届学雷锋志愿服务主题宣传特别节目《文明之光志愿中国》。4月，参演的电视剧《碧海丹心》杀青，在剧中饰演高大霞。4月28日，获第26届大学生电影节大学生特别荣誉单元最受欢迎女演员奖。2019年，参演电视剧《我在未来等你》在爱奇艺播出，在剧中饰演成年版的微笑。6月16日，获2019微博电影之夜微博最受期待喜剧CP。7月，参演电视剧《杠杆》。7月13日，参加综艺节目《快乐大本营》。8月2日，参演的电影《鼠胆英雄》上映，在剧中饰演杜卿。10月1日，参演的电影《我和我的祖国》上映。11月9日，佟丽娅担任策划并亲自领舞，筹备两年的舞蹈剧场《在远方，在这里》连续两天在国家大剧院、歌剧院上演，而该作品不仅是她一路走来的总结，也是其对内心翻涌的澎湃热血与魂牵梦绕的家乡热土的一种回报；12月19日，她还参加了《濠江情中国心》庆祝澳门回归祖国20周年文艺晚会，并在晚会的音乐情景剧《澳门风情》中演绎了葡式土风舞。
2020年1月20日，入选2020春晚主会场主持阵容。
